CPU系统级验证——验证环境——OpenHW core-v验证环境及文件分析

本文记录的相关源工程和文件为：
core-v RISCV核功能验证工程：https://github.com/openhwgroup/core-v-verif
core-v 验证策略：https://core-v-docs-verif-strat.readthedocs.io/en/latest/#
core-v系列核cva6工程：https://github.com/openhwgroup/cva6
core-v系列核cv32e40p工程：https://github.com/openhwgroup/cv32e40p
LowRISCV Ibex核工程：https://github.com/lowRISC/ibex
core-v RISCV核相关说明文档：https://github.com/openhwgroup/core-v-docs
RISCV ISA指令流（instruction stream）生成器：https://github.com/openhwgroup/force-riscv
core-v系列指令流（instruction stream）生成器：https://github.com/openhwgroup/core-v-isg
sail语言介绍：https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/sail/
REMS的sail RISCV开源项目：https://github.com/rems-project/sail-riscv

openHW全称为open-source hardware，是一个支持开源软件和硬件的非盈利组织。该组织开源的内容包括开源CPU核、相关IP、工具和软件等。下文中部分图片取自OPENHW。

 

1. cv32e40p

CV32E40P(原先PULP开发的RI5CY)是一个32bit的4级流水线核，支持整数运算指令、乘法除法指令、单浮点运算指令、压缩指令以及DSP扩展指令（包括硬件循环、SIMD扩展、位操作和增量指令）

该核的验证环境有两套，一套是原来基础上改进的的testbench；一套是UVM环境搭建的testbench，该环境下testcase的产生是可以基于UVM环境的（这种方式类似于Ibex核验证环境）。两套环境均由systemverilog编写。均包含了指令集验证、中断验证、CSR寄存器验证、异常验证、debug验证等。

1 目录概况

cv32e40p的验证环境在cv32文件夹中，该文件夹下又分为bsp，env，regress，sim，tb，tests六个文件夹。

• bsp

板级支持包，包含crt，syscall等初始化文件、链接脚本、一些简单的定向test

• env

包含uvm验证环境所需的一些环境文件，比如定义了一些类的文件，包含了一些宏的文件，以及一些参数的定义

• regress

包含了用yaml编写的配置文件，包含了工程makefile中用到的命令，以及每个testcase的配置信息

• sim

包含了两个验证环境的makefile脚本文件，分别为core文件夹和uvmt_cv32文件夹，同时还包含tools（仿真工具文件夹）、mcy和common.mk文件

1. common.mk
   该文件包含了两个验证环境的通用变量，通用操作（比如git clone、riscv-toolchain对执行对象的编译和反汇编等）
2. uvmt_cv32/Makefile
   该文件是所有makefile的根文件，一切命令都需要在该文件的绝对下执行
3. uvmt_cv32/xrun.mk
   C家的xcelium运行脚本文件

• tb

包含了两个验证环境的testbench文件

• tests

包含了testcase源文件

1. 自定义的测试程序
   命令：make test TEST=...
2. corev-dv指令压力测试
   类似于google的riscv-dv
   命令：make corev-dv 
              make gen_corev-dv test TEST=...
3. 指令兼容性测试
   包括riscv-tests、riscv-compilance和cv32扩展指令的定向测试文件
   make compliance RISCV_ISA= COMPLIANCE_PROG=...

2 验证环境

（一） core testbench

该工程是PULP遗留下的产物，OpenHW做了一定修改并持续维护。验证环境中已集成了指令集模拟器。

该工程的测试集激励包含指令兼容性测试（偏定向测试，如riscv-tests和riscv-compilance-tests）和随机约束（google riscv-dv），和其他的一些fireware测试用例。

测试环境结构如下：

该testbench简单，运行较快，通过verilator运行，但是有额外的开销且不能获取覆盖率。

（二） UVM 验证环境（uvmt_cv32）

cv32核的UVM验证环境已搭建完成，在DSIM（Metrics）运行也很稳定。验证环境中可以集成了指令集模拟器参考模型，整个环境功能齐全且可复用性较高，可以经过简单修改应用到其他CPU上

uvm验证环境的testcase均是由uvm相关类生成，同时该环境还集成了riscv-dv，但具体的激励生成还需要再分析。

• 脚本中相关变量

（1）进行仿真命令的变量
         即 make test 等

1. GUI
   GUI=1允许打开图形界面进行调试

2. ADV_DEBUG
   ADV_DEBUG=YES允许EDA公司先进的调试工具运行，例如cadence，即运行indago而非simvision

3. USER_RUN_FLAGS
   与UVM_MAX_QUIT_COUNT搭配，表示中止test允许的error数量

4. WAVES
   WAVES=YES即sim的同时就产生波形

5. COV
   COV=1，即进行覆盖率分析

（2）仿真后的命令

1. make cov TEST=...
   进行某项测试的覆盖率分析并打印报告。
2. 变量MERGE
   将所有测试的覆盖率分析融合到一个report中

• 验证环境架构

（1）验证环境概况

该testbench有两种工作模式，一种是只有DUT的情况，测试激励为自检测测试，测试是否成功会设置一个寄存器中的某位，testbench会在测试结束后读取该位的值，从而确定测试是或否成功；第二种是step compare，比较DUT和ISS的输出trace。
对于第二种工作模式，ISS是可以通过设置脚本命令变量（ISS）选择是否参与仿真。如果命令中设置了ISS=1，则会通过uvmt_cv32_step_compare模块进行trace的比较

验证环境的顶层文件是uvmt_cv32_tb.sv，DUT的顶层文件是uvmt_cv32_dut_wrap.sv，参考模型的顶层文件是uvmt_cv32_iss_wrap.sv。

1. DUT
   DUT的顶层文件中又包含cv32e40p_wrapper和指令/数据存储器，其中cv32e40p_wrapper包含core的顶层文件和其他一些可选APU、exception的tracer模块。
   tracer模块保存已执行指令的CPU的寄存器值，保存对应状态位，同时该模块会提供pc值和GPR值给step_compare模块
    
2. reference module
   参考模型也是有systemverilog编写，而不是现成的可执行文件。其顶层文件中包含core的参考模型CPU.sv、RAM（模拟指令/数据存储器）和自定义的总线BUS。
    
3. step_compare
   单步比较模块存在的前提是参考模型加入（即ISS=1），用于验证DUT和参考模型的运行结果
   当指令执行完成会和DUT和参考模型的Tracer模块进行握手
4. assertion
   TB中的assertion包括interrupt相关、debug相关、指令数据OBI接口相关
5. coverage组件
   包括core、interrupt、debug等的coverage module和covergroup。coverage module在对应agent种，covergroup在env中
   
   uvme_rv32isa_covg模块用于统计ISA的功能覆盖率，从而确保每条指令运行都能覆盖到所有的源寄存器和目的寄存器，计算指令的混合度

（2）UVM内部组件关系

上图为UVM testbench中的DUT部分，即uvmt_cv32_dut_wrap模块，DUT有包含CV32的RTL代码和mm_ram。

        mm_ram包含了virtual peripheral（VP）和双端口的RAM（dp_ram，包含指令/数据存储器）。dp_ram模型有两个OBI接口，不同功能的虚拟外设用做CPU的定向测试的外设，包括中断产生，随机数，定时器等


        debug、interrupt、OBI、时钟/reset均通过UVM_agent组件产生，且通过uvm_sequence组件输入激励。

同时每种agent都包含对应的functional coverage module组件，方便了收集覆盖率

下图为UVM验证环境运行的流程

 

（3）uvmt_cv32中的测试激励

该环境包含自定义测试激励和随机测试激励。

自定义测试激励一般为定向测试的C代码和汇编代码。C代码可以通过man函数返回值确定该case的pass/fail

随机测试激励通过corev-dv自动生成汇编代码。

2. CVA6

CVA６(ariane)是一个6级流水线、单发射、顺序执行的RV32GC或RV64GC核，支持M/U/S三种模式，支持linux操作系统。

该核现存的验证环境尚未成熟，但同样可以构建UVM的验证环境。

该工程的指令集测试激励包括riscv官方测试套件（即riscv-tests）。